【文章內(nèi)容簡介】 可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；可編程全雙工串行通信；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。3硬件設(shè)計(jì)如圖31所示為電路框圖。其工作原理為：接通電源后，主持人將開關(guān)撥到“清除”狀態(tài)，搶答器處于禁止?fàn)顟B(tài)，編號(hào)顯示器滅燈，定時(shí)器顯示設(shè)定時(shí)間；主持人將開關(guān)置，“開始”狀態(tài)，宣布“開始”搶答器工作。定時(shí)器倒計(jì)時(shí)，揚(yáng)聲器給出聲響提示。選手在定時(shí)時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，搶答器完成：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次操作開始、停止?fàn)顟B(tài)開關(guān)搶答按扭優(yōu)先編碼電路鎖存器譯碼電路譯碼顯示主持人控制開關(guān)控制電路報(bào)警電路秒脈沖產(chǎn)生電路定時(shí)電路譯碼電路顯示電路圖31 電路框圖 圖31電路框圖參考電路如圖32所示。該電路完成兩個(gè)功能：一是分辨出選手按鍵的先后，并鎖存優(yōu)先搶答者的編號(hào)，同時(shí)譯碼顯示電路顯示編號(hào)；二是禁止其他選手按鍵操作無效。如有再次搶答需由主持人將S開關(guān)重新置,“清除”然后再進(jìn)行下一次搶答。 圖32搶答電路的接口電路時(shí)序控制電路是搶答器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它要完成以下功能： (1)主持人將控制開關(guān)撥到開始位置時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路進(jìn)人正常搶答工作狀態(tài)?！　　　　　　　? 　　　　　　　　　　　　 (2)當(dāng)參賽選手按動(dòng)搶答鍵時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲，搶答電路和定時(shí)電路停止工作。外部中斷和內(nèi)部中斷并存，單片機(jī)硬件復(fù)位端，只要持續(xù)4個(gè)機(jī)器周期的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器以及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中功能中有倒計(jì)時(shí)時(shí)間的記憶功能，所以不能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位，只能用軟件復(fù)位，軟件復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完之后，將程序通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它完成復(fù)位。 圖33復(fù)位電路圖圖33中由按鍵RESET1以及電解電容C電阻R1構(gòu)成按鍵及上電復(fù)位電路。由于單片機(jī)是高電平復(fù)位，所以當(dāng)按鍵RESET1按下時(shí)候，單片機(jī)的9腳RESET管腳處于高電平，此時(shí)單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)上電后，由于電容的緩慢充電，單片機(jī)的9腳電壓逐步由高向低轉(zhuǎn)化，經(jīng)過一段時(shí)間后，單片機(jī)的9腳處于穩(wěn)定的低電平狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)上電復(fù)位完畢，系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行。值得注意的是，在設(shè)計(jì)當(dāng)中使用到了硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種功能，由上面的硬件復(fù)位后的各狀態(tài)可知寄存器及存儲(chǔ)器的值都恢復(fù)到了初始值，而前面的功能介紹中提到了倒計(jì)時(shí)時(shí)間的記憶功能，該功能的實(shí)現(xiàn)的前提條件就是不能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行硬件復(fù)位，所以設(shè)定了軟復(fù)位功能。軟復(fù)位實(shí)際上就是當(dāng)程序執(zhí)行完畢之后，將程序指針通過一條跳轉(zhuǎn)指令讓它跳轉(zhuǎn)到程序執(zhí)行的起始地址。 時(shí)鐘震蕩電路單片機(jī)必須在AT89C51的驅(qū)動(dòng)下才能工作，在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘震蕩電路，只需要外接一個(gè)振蕩器就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號(hào)送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，時(shí)鐘震蕩電路如圖34所示。 圖34時(shí)鐘震蕩電路圖一般選用石英晶體振蕩器。此電路在加電大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào)，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個(gè)電容 C1，C2的作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對(duì)振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。C1，C2的典型值為20PF。單片機(jī)在工作時(shí)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期。其大小是時(shí)鐘信號(hào)頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。圖中時(shí)鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時(shí)鐘周期為1/12181。s。報(bào)警電路用于報(bào)警，當(dāng)遇到報(bào)警信號(hào)時(shí)，發(fā)出警報(bào)。一般喇叭是一種電感性圖35報(bào)警電路圖。8951驅(qū)動(dòng)喇叭的信號(hào)為各種頻率的脈沖。因此，最簡單的喇叭驅(qū)動(dòng)方式就是利用達(dá)林頓晶體管，或者以兩個(gè)常用的小晶體管連接成達(dá)林頓架勢。在右圖中電阻R為限流電阻，在此利用晶體管的高電流增益，以達(dá)到電路快速飽和的目的。不過，如果要由P0輸出到此電路，還需要連接一個(gè)10K的上拉電阻。 選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)搶答時(shí)，實(shí)現(xiàn)：優(yōu)先判斷、編號(hào)鎖存、編號(hào)顯示、揚(yáng)聲器提示。當(dāng)一輪搶答之后，定時(shí)器停止、禁止二次搶答、定時(shí)器顯示剩余時(shí)間。如果再次搶答必須由主持人再次作清除和開始狀態(tài)開關(guān)。圖35報(bào)警電路圖 顯示功能與硬件關(guān)系極大，當(dāng)硬件固定后，如何在不引起操作者誤解的前提下提供盡可能豐富的信息，全靠軟件來解決。在這里我們使用的是七段數(shù)碼管顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動(dòng)態(tài)顯示。其中靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定性沒靜態(tài)好，程序編寫復(fù)雜，但是相對(duì)靜態(tài)顯示而言占用端口資源少。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況采用的是動(dòng)態(tài)顯示方法。通過查表法，將其在數(shù)碼管上顯示出來，其中P0口為字型碼輸入端，P2口低3位為字選段輸入端。在這里我們通過查表將字型碼送給7段數(shù)碼管顯示的數(shù)字，4位七段數(shù)碼管顯示電路如圖36所示。圖36共陰極數(shù)碼管圖36中數(shù)碼管采用的是4位七段共陰數(shù)碼管，其中A~H段分別接到單片機(jī)的P0口，由單片機(jī)輸出的P0口數(shù)據(jù)來決定段碼值，位選碼COMCOM由單片機(jī)來決定當(dāng)前該顯示的是哪一位。在圖中還有八個(gè)1K的電阻，連接在P0口上，用作P0口的上拉電阻，保證P0口沒有數(shù)據(jù)輸出時(shí)候處于高電平狀態(tài)。鍵盤是人與單片機(jī)打交道的主要設(shè)備。關(guān)于鍵盤硬件電路的設(shè)計(jì)方法也可以在文獻(xiàn)和書籍中找到，配合各種不同的硬件電路，這些書籍中一般也提供了相應(yīng)的鍵盤掃描程序。站在系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當(dāng)前時(shí)刻的鍵盤狀態(tài)是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們?cè)诓僮麈I盤就容易引起誤操作和操作失控現(xiàn)象。在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點(diǎn)，其中獨(dú)立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對(duì)硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產(chǎn)生的“毛刺”現(xiàn)象。這里采用最常用的方法，即延時(shí)重復(fù)掃描法，延時(shí)法的原理為：因?yàn)椤懊獭泵}沖一般持續(xù)時(shí)間短，約為幾ms，而我們按鍵的時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間,所以當(dāng)單片機(jī)檢測到有按鍵動(dòng)靜后再延時(shí)一段時(shí)間(這里我們?nèi)?0ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài),如果是則為有效按鍵，否則無效。 在本文設(shè)計(jì)中采用了獨(dú)立鍵盤的方式，本設(shè)計(jì)中有8個(gè)搶答按鍵輸入，一個(gè)開始按鍵、一個(gè)結(jié)束按鍵，此外還有搶答時(shí)間調(diào)整鍵、回答時(shí)間調(diào)整鍵，加一按鍵、減一按鍵各一個(gè)。如圖37所示。圖37搶答按鍵~，~。圖38開始和結(jié)束按鍵在圖38中，開始及結(jié)束按鍵接到單片機(jī)的11腳，這里用到了單片機(jī)11腳復(fù)合功能中的IO端口功能，單片機(jī)通過讀取。按鍵的觸點(diǎn)在閉合和斷開時(shí)均會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這時(shí)觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會(huì)引起按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行或重復(fù)執(zhí)行?，F(xiàn)在一般均用軟件延時(shí)的方法來避開抖動(dòng)階段，這一延時(shí)過程一般大于5ms，例如取1020ms。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺(tái)程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時(shí)子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時(shí)中斷子程序中，就可省去專門的延時(shí)子程序，利用兩次定時(shí)中斷的時(shí)間間隔來完成抖動(dòng)處理。4軟件設(shè)計(jì) 軟件任務(wù)分析軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計(jì)結(jié)合進(jìn)行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計(jì)基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計(jì)做一個(gè)總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能，如測量，計(jì)算，顯示，打印，輸出控制和通信等，另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)軟件中充當(dāng)組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設(shè)計(jì)方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計(jì)偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。軟件任務(wù)分析時(shí)，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊進(jìn)行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時(shí)，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對(duì)來講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當(dāng)一名操作工人比較容易，而當(dāng)一個(gè)廠長就比較難了。軟件任務(wù)分析的另一個(gè)內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊。整個(gè)系統(tǒng)軟件可分為后臺(tái)程序（背景程序）和前臺(tái)程序。后臺(tái)程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)?shí)時(shí)性要求不是太高，延誤幾十ms甚至幾百ms也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺(tái)程序中執(zhí)行；而前臺(tái)程序安排一些實(shí)時(shí)性要求較高的內(nèi)容，如定時(shí)系統(tǒng)和外部中斷（如掉電中斷）。也可以將全部程序均安排在前臺(tái)，后臺(tái)程序?yàn)椤笆瓜到y(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。 程序流程圖在本設(shè)計(jì)中包括了以下主要的程序：主程序，查詢程序，非法搶答程序，搶答時(shí)間調(diào)整程序，回答時(shí)間調(diào)整程序，倒計(jì)時(shí)程序，正常搶答處理程序，犯規(guī)處理程序，顯示及發(fā)聲程序。主流程圖如41所示：初始化顯示FFF開始鍵加一鍵減一鍵去抖動(dòng)調(diào)整搶答時(shí)間回答時(shí)間非法搶答處理顯示犯規(guī)正常搶答 顯示搶答號(hào)并倒計(jì)時(shí) Y Y Y圖41 程序設(shè)計(jì)流程圖5系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試的任務(wù)是排除系統(tǒng)的硬件電路故障，包括設(shè)計(jì)性錯(cuò)誤和工藝性故障。軟件調(diào)試時(shí)利用開發(fā)工具進(jìn)行在線仿真調(diào)試，除發(fā)現(xiàn)和解決程序錯(cuò)誤外，也可以發(fā)現(xiàn)硬件故障。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試時(shí)分不開的，許多硬件故障是在調(diào)試軟件時(shí)發(fā)現(xiàn)的，但通常是先排除系統(tǒng)中明顯的硬件故障后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試。（1）常見的硬件故障 ①邏輯錯(cuò)誤。樣機(jī)硬件的邏輯錯(cuò)誤時(shí)由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或加工過程中的工藝性錯(cuò)誤所造成的，包括錯(cuò)線，開路和短路等幾種，其中短路時(shí)最常見的故障。 ②元器件失效。元器件失效的原因有兩個(gè)方面：一是器件本身已經(jīng)損壞或性能不符合要求；二是由于組裝錯(cuò)誤造成的元器件失效，如點(diǎn)解電容，二極管的極性錯(cuò)誤或集成塊安裝方向錯(cuò)誤等。 ③可靠性差。引起系統(tǒng)不可靠的因素很多，如接地插件接觸不良會(huì)造成系統(tǒng)時(shí)好時(shí)壞，內(nèi)部和外部的干擾，電源紋波系數(shù)過大或器件負(fù)載過大等造成邏輯電平不穩(wěn)定，另外走線和布局的不合理等也會(huì)引起系統(tǒng)的可靠性差。 ④電源故障。若樣機(jī)中存在電源故障，則加電后將造成器件損壞。電源故障包括電壓值不符合設(shè)計(jì)要求，電源引線和插座不對(duì)應(yīng)，電源功率不足和負(fù)載能力差等。（2）硬件調(diào)試方法 ①脫機(jī)調(diào)試。脫機(jī)調(diào)試是在樣機(jī)加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖，子線檢查樣機(jī)線路的正確性，并核對(duì)元器件型號(hào)，規(guī)格和安裝是否符合要求。特別注意電源的走線，防止電源之間的短路或極性錯(cuò)誤，重點(diǎn)檢查系統(tǒng)的總線或其他信號(hào)線之間是否存在相互的短路。樣機(jī)所用的電源，事先必須單獨(dú)調(diào)試后才能加到系統(tǒng)中。在不插芯片的情況下，加電檢查各插件上引腳的電位，子線測量個(gè)點(diǎn)電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機(jī)插座上的各點(diǎn)電位是否正常。 ②聯(lián)機(jī)調(diào)試。通過脫機(jī)調(diào)試可排除一些明顯的硬件故障，有些硬件故障需要通過聯(lián)機(jī)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)和排除。通電后，執(zhí)行讀寫指令，對(duì)用戶樣機(jī)的存儲(chǔ)器，I/O端口進(jìn)行讀寫和邏輯檢查等操作，用示波器等設(shè)備觀察波形（如輸出波形，讀/寫控制信號(hào)，地址數(shù)據(jù)波形和有關(guān)控制電平），通過對(duì)哦性的觀察分析，發(fā)現(xiàn)和排除故障。 軟件